EP0112837A1 - Elektronische steuerung mit sicherheitseinrichtungen - Google Patents

Elektronische steuerung mit sicherheitseinrichtungen

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Publication number
EP0112837A1
EP0112837A1 EP83900560A EP83900560A EP0112837A1 EP 0112837 A1 EP0112837 A1 EP 0112837A1 EP 83900560 A EP83900560 A EP 83900560A EP 83900560 A EP83900560 A EP 83900560A EP 0112837 A1 EP0112837 A1 EP 0112837A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
safety
electronic control
channels
channel
monitoring
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP83900560A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Voss
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Herion Systemtechnik GmbH
Original Assignee
ZF Herion Systemtechnik GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ZF Herion Systemtechnik GmbH filed Critical ZF Herion Systemtechnik GmbH
Publication of EP0112837A1 publication Critical patent/EP0112837A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16P—SAFETY DEVICES IN GENERAL; SAFETY DEVICES FOR PRESSES
    • F16P3/00—Safety devices acting in conjunction with the control or operation of a machine; Control arrangements requiring the simultaneous use of two or more parts of the body
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16P—SAFETY DEVICES IN GENERAL; SAFETY DEVICES FOR PRESSES
    • F16P3/00—Safety devices acting in conjunction with the control or operation of a machine; Control arrangements requiring the simultaneous use of two or more parts of the body
    • F16P3/18—Control arrangements requiring the use of both hands
    • F16P3/20—Control arrangements requiring the use of both hands for electric control systems

Definitions

  • the invention relates to an electronic control according to the preamble of the first claim.
  • Control systems have to meet particularly high safety requirements if control errors can result in injuries to persons. Numerous possibilities are known for increasing the safety of electronically controlled work machines (Dipl.-Ing. W. Wienandt's "Safety-technical requirements for electronic controls" "The BG", March 1980, pages 220-224).
  • Figure 2 of the cited reference shows a press control with two control channels of the same structure, the individual stages of which are monitored by a safety channel by comparison.
  • the security channel in turn has a self-monitoring device.
  • systematic errors e.g. B. configuration errors, which are not recognized. It therefore does not have the necessary security.
  • Figure 6 of the cited document shows the systematic structure of an electronic control for an escalator. It has a control channel and two safety channels, one of which is designed with hard-wired circuit logic and the other in microcomputer technology.
  • the different technologies used in signal processing significantly reduce the likelihood that systematic errors will have the same effect in both control channels at the same time. Nevertheless, the probability that errors occur in the first and second security channels at the same time is inadmissibly high because, because of the large number of integrated components in the security channel with microcomputer technology, there is a high probability of errors for this channel.
  • Self-monitoring devices in this safety channel can reduce the effects of the frequency of errors. However, self-monitoring with a high degree of error detection takes a time, which can take up to several seconds, depending on the circumstances. This monitoring time can be the cycle time in the case of Extend directions and cyclical monitoring of this device undesirably and reduce the availability and use of the device.
  • the invention has for its object to provide an electronic control with safety devices for cyclically operating devices, which does not affect the cycle time or only insignificantly and causes a high degree of security.
  • the self-monitoring device for monitoring the entire second security channel with the aid of a monitoring program allows the monitoring program to be modified, so that the shortest monitoring times are guaranteed with a high degree of error detection.
  • the monitoring program can be tailored to the security-relevant parts of the security channel.
  • Negative effects on the safety of the device can only be expected if, despite the different safety channels, an error occurs in both channels that is not recognized.
  • the additional self-monitoring of the first security channel further reduces the probability of two undetected errors coming together in the two security channels.
  • the output signal of the comparator and the output signals of the self-monitoring devices act on a common security level. Due to the interaction of the self-monitoring device in the first and second security channels, the security of the overall system can be sufficient if the monitoring program is designed in such a way that the degree of error detection is 70% to 90%.
  • the degree of error detection is understood to mean the probability with which an error is recognized.
  • claims 3 and 4 show possibilities for self-monitoring of the first security channel .
  • contacts be arranged between the safety channels and the actuators, which contacts are actuated by a single relay controlled by the safety level.
  • a single relay which is desirable in terms of outlay, is possible from a safety point of view, since the relay is positively driven and is provided with a test contact.
  • the construction effort is also reduced if the actuators are combined to form a press safety valve that has two valve windings, one of which is controlled by one of the safety channels.
  • the comparator is formed by a rectifier bridge circuit, in whose rectified bridge branch the relay and in the other bridge branch the actuators are arranged. This results in a construction of the comparator which simultaneously monitors the connecting lines to the actuators and their electrical part for short circuits and interruptions.
  • the ohmic resistance of the actuators is chosen to be considerably smaller than the ohmic resistance of the relay.
  • the electronic control can also be used in a multiple arrangement. If the control is arranged n times, a selection circuit m is expediently formed from n, m being less than n.
  • FIG. 1 is a basic circuit diagram of an electronic control according to the invention for a device with mechanical movement sequences with two different security channels in structure
  • FIG. 2 shows an embodiment of the control according to FIG. 1 in a basic illustration for an eccentric press with manual insertion operation and a two-hand desk for carrying out a single stroke control
  • FIG. 3 shows the exemplary embodiment according to FIG. 2 with a detailed structure of the safety and control channels and with cam switches for TDC switch-off or for self-holding a switch-on contact,
  • FIG. 4 shows a circuit of an exemplary embodiment of a comparator of the output signals of the safety channels
  • Fig. 5 shows a current circuit modified from FIG. 2 of another principle of self-monitoring of the first security channel
  • FIG. 6 shows a circuit of a circuit for self-monitoring of the first safety channel, according to the principle explained with reference to FIG. 5.
  • the electronic control system according to the invention (FIG. 1) is a cyclically operating device with mechanical movement processes, such as, for. B. an eccentric press, a hydraulic press, a lift control, machine tools, injection molding machines, handling devices or similar devices can be used.
  • the device should be monitored for safe, trouble-free operation before each work cycle.
  • the cycle times can be repeated periodically at the same intervals and with the same cycle length or aperiodically at different intervals or with different durations.
  • a sensor 1, the z. B. includes either manually operated switches, timers or sensors, a firste ⁇ channel 2 with hard-wired circuit logic and a second safety channel 3 in microcomputer technology downstream, which have similar control functions next to each other and thus form a redundant control system.
  • the outputs of the safety channels 2 and 3 are connected via lines 4 and 5 and amplifiers 7 and 8 to a comparator 6, in which the output signals are monitored for equality and simultaneity.
  • the outputs of the amplifiers 7 and 8 are also connected via lines 10 and 11 and via contacts 13A and 13B belonging to a relay 13 to actuators 12A and 12B which, for example in the case of an eccentric press, press safety valves or in the case of a lift contactors for operation of the lift motor.
  • the relay 13 is part of a security level 9, on which the amplified output signals of the security channels 2 and 3 and the output signal of the comparator 6 act.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 2 relates to an electronic control for an eccentric press with manual insertion operation, the press stroke being triggered via a two-hand console 15.
  • This includes buttons 16, 17, whose contacts 16A, 17A via connections 18, 19, 20 on the first safety channel 2 and their contacts 16B, 17B via connections 21, 22, 23 on the second safety channel 2.
  • channel 3 are connected.
  • the control is designed so that both buttons 16, 17 within a predetermined period, for. B. of maximum 0.5 s, must be pressed in order to actuate the press safety valve 33 at the output of the circuit. If the aforementioned period is exceeded, the output does not react.
  • the press safety valve 33 consists of a solenoid valve with two valve windings 33A and 33B, which are connected to the amplifiers 7 and 8 via lines 27, 28 and 29, 30, respectively.
  • the line 28 is guided via a contact 13A, the line 29 via a contact 13B.
  • the contacts 13A, 13B are initially closed and are only operated together by the security level 9 if a fault occurs.
  • the first safety channel 2 (FIG. 3) essentially comprises a control unit 40 and an oscillator 24 assigned to it, which is used to advance the control unit 40 and generates a test signal at the input of the first safety channel, furthermore a power supply unit 41 and a converter 42, which supplies a control voltage for a monitoring unit 43 which is proportional to both the test frequency and the supply voltage from the test signal at the output of the first safety channel 2 and the supply voltage from the power supply unit 1. If a threshold value is undershot, this triggers security level 9.
  • a mono-flop 44 that is a monostable multivibrator with a switching time of 0.5 s, ensures that actuation of the buttons 16, 17 only acts on the output if it occurs within the switching time.
  • Two flip-flops 45, 46 act via an OR gate 78 on a transistor 47 serving as amplifier 6.
  • the above-mentioned modules are logically linked to the control inputs by AND or OR gates or inverters.
  • the control inputs include two cam switches 51, 52 (FIG. 3), the cam disks of which are mounted on a shaft 80, the rotational movement of which is derived from the stroke of the press. They are used to switch off the top dead center of the eccentric press.
  • the cam switch 52 ' additionally holds the press in the switched-on state from position E regardless of the position of the buttons 16 or 17.
  • the control inputs include a torque switch 53 for the brake monitor which supplies an acknowledgment signal when the main and auxiliary brakes of the press actually apply the required braking torque.
  • the contacts of the buttons 16, 17, the cam switches 51, 52 and the torque switch 53 are connected via protective resistors 102 to the inputs of the first safety channel 2 and the peripheral adapter 54 of the second safety channel 3.
  • the contact 17A acts on an AND gate 75 and an OR gate 74 via an inverter 73, while the contact 16A acts on the OR gate 74 and the AND gate 75.
  • the OR gate 7 also acts on the AND gate 75 via the mono-flop 44. At the output of the AND gate 75 there is only a signal when the buttons 16 and 17 are actuated and the actuation within a period of 0 , 5 s took place.
  • the output signal of the AND gate 75 generates a set command in the flip-flop 45 via a differentiating element consisting of a capacitor 103 and a resistor 104. If there is no output signal at the OR gate 75, an inverter 76 and an OR Gate 77 a reset command on flip-flop 45.
  • the cam switch 51 acts via an inverter 70 and an OR gate 79 on the reset input of the flip-flop 46, so that the flip-flop 46 is in the reset position when the cam switch 51 is open.
  • the cam switch 52 acts via the OR gate 77 on the reset input of the flip-flop 45, via a differentiating element consisting of a capacitor 103 and a resistor 104, on the set input of the flip-flop 46 and above an inverter 71 and the OR gate 79 to the reset input of the flip-flop 46.
  • the flip-flop 46 receives a reset command when the cam switch 51 is open, while the flip-flop 45 is a reset command when the cam switch 52 is open receives.
  • the flip-flop 45 When the cam switch 52 is closed, the flip-flop 45 receives a reset command, while the flip-flop 46 receives a set command via the differentiator 103, 104.
  • the flip-flops 45 and 46 are connected to the converter 42 and to the transistor 47 via the OR gate 78.
  • the neck switch 52 also acts via a NOR gate 68 and an AND gate 69 on the security level 9.
  • the second input of the AND gate 69 is connected to the torque switch 53.
  • Security level 9 thus responds when cam switch 52 is open and torque switch 53 closes at the same time.
  • the second safety channel 3 essentially comprises a peripheral adapter 54, program memory (PROM) 34, 58, a control circuit 59, a microprocessor 61 and a working memory (RAM) -60, all of which are connected to one another via control lines 55, an address bus 56 and one Data bus 57 are connected. Furthermore, a start circuit 62 and an address decoder 14 are also heard there.
  • the inputs of the peripheral adapter 54 are connected to the contacts of the buttons 16, 17, the cam switches 51, 52 and the torque switch 53, while the outputs are connected directly to the security level 9 or via the transistor 48, which serves as an amplifier 8 , Act.
  • a comparator 6 is arranged between the output of the safety channel 2 and the safety channel 3, which compares the signals for equality and simultaneity and transmits the result of the security level 9.
  • the transistors 47 and 48 switch the circuit for the windings 33A and 33B of the press safety valve 33, which is led via the contacts 13A and 13B the relay 13. These contacts are opened as soon as the relay 13 due to an error eldunq 3
  • the self-monitoring of the first safety channel 2 takes place in the cycle breaks between the individual lifting movements.
  • short oscillating pulses of a defined frequency are given by the oscillator to the signal inputs of the first safety channel in succession by a control unit 40 via differentiators 100, 101.
  • a defined pulse frequency acts on the converter 42 at its output.
  • the use of needle pulses and appropriate circuit design ensures that the test frequency does not trigger a control function. If the frequency is missing or different, the security level reacts and prevents the press from continuing to work.
  • the second safety channel 3 is monitored by means of a safety program which is stored in a program memory 34 or 58.
  • the microprocessor 61 is either in the safety cycle or it is handling non-safety-relevant additional tasks, after completion of which it immediately returns to the safety cycle.
  • the monitoring program is active.
  • the sum of the values and further characteristic values resulting from the programs in the program memories 34 or 58 is continuously formed and compared with a setpoint control number which, for. B. is represented by galvanic bridges. If the result is incorrect or there is no result message, security level 9 is triggered.
  • the computer When a signal is sent from the controller to the peripheral adapter 54, the computer is immediately made available to the controller by an interrupt command to the microprocessor 61. It processes the control commands according to its control program until the cam switch 51 and the torque switch 53 do so
  • End of stroke signals and the monitoring program is reactivated the. If the computer does not return to the security cycle, security level 9 is also triggered and the device falls back into the secure state.
  • the security-relevant part of security level 9 is implemented using FaiIsafe technology.
  • the relay 13 has positively driven con. clocks, which means that it can be monitored safely.
  • the security level and relay 13 are monitored cyclically by initiating a function test after each stroke shutdown, a relay shutdown also taking place. In this test, automatic reclosure only takes place if the safety level 9 is not disturbed, the torque switch 53 registers a sufficient braking torque, there are no fault messages from one of the two safety channels 2, 3 or the amplifier 7, 8 and the relay 13 by one Contact 13C, which acts as a test contact, has confirmed that relay 13 has dropped out safely. After a shutdown caused by a fault, automatic restart is reliably prevented even if the fault no longer exists
  • An embodiment of an output stage monitoring, "' as a monitoring of the transistors 47, 48 includes in addition to the press safety valve 33, a bridge circuit of diodes 64, 65, 66, 67 and the winding of the bridge circuit in the rectified branch of the bridge Relay 13.
  • the contacts 13A and 13B belonging to the latter are between a connection of a valve winding 33A and the collector of transistor 47 14
  • FIG. 5 Another version for monitoring the first security channel 2 (FIG. 5) comprises a comparator circuit 81 which is connected via lines 85 to all gate inputs and outputs (FIG. 6), some gate inputs being identical to other gate outputs .
  • the electrical values at the gate inputs and outputs are compared via lines 84 (FIG. 5) with a bit pattern in a bit pattern unit 82.
  • the bit pattern corresponds to the idle state of the gate inputs and outputs. In this way, all faults can be identified that can be measured on any gate in safety channel 2.
  • the comparison circuit 81 has an output to which a line 83 is connected. The potential appearing at the output changes cyclically, e.g. B-.
  • the lines 85 are designed individually as lines 87 to 98 in FIG. 6. This circuit also shows where an H potential (high potential) and at the same time an L potential (low potential) appear or vice versa.
  • the potential indications shown in FIG. 6 relate to the circuit idle state, which, for. B. corresponds to the lifting pause of the press.
  • the bit pattern unit 82 (Fig. 5) is by galvanic bridges 99, z. B. solder bridges or conductor tracks formed.

Landscapes

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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Safety Devices In Control Systems (AREA)

Description

ELEKTRONISCHE STEUERUNG MIT SICHERHEITSEINRICHTUNGEN
Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Steuerung nach dem Oberbegriff des ersten Anspruches.
Es sind besonders hohe siσherheitstechnische Anforderungen Steuerungen zu stellen, wenn Steuerungsfehler Verletzungen von P sonen zur Folge haben können. Zur Erhöhung der Sicherheit elektr nisch gesteuerter Arbeitsmaschinen sind zahlreiche Möglichkeiten bekannt (Dipl.-Ing. W. Wienandts "Sicherheitstechnische Anforde¬ rungen an elektronische Steuerungen" "Die BG" , März 1980, Seite 220 - 224) . Bild 2 der genannten Literaturstelle zeigt ein Pressensteuerung mit zwei gleich aufgebauten Steuerkanälen, dere Einzelstufen von einem Sicherheitskanal durch Vergleich überwacht werden. Der Sicherheitskanal seinerseits verfügt über eine Selbst überwachungseinrichtung. Bei einem derartigen System sind systema tische Fehler, z. B. Projektierungsfehler, möglich, die nicht er¬ kannt werden. Sie verfügt daher nicht über die notwendige Sicher¬ heit.
Bild 6 der genannten Druckschrift zeigt den systematischen Aufbau einer elektronischen Steuerung für eine Fahrtreppe. Sie be sitzt einen Steuerkanal und zwei Sicherheitskanäle, von denen einer mit fest verdrahteter Schaltungslogik und der andere in Mikrocomputertechnik ausgeführt ist. Durch die unterschiedlichen angewandten Technologien bei der Signalverarbeitung nimmt die Wahrscheinlichkeit, daß sich systematische Fehler gleichzeitig un gleichartig in beiden Steuerkanälen auswirken, erheblich ab. Trotzdem ist die Wahrscheinlichkeit, daß Fehler im ersten und zweiten Sicherheitskanal gleichzeitig auftreten, unzulässig hoch, da wegen der großen Vielzahl integrierter Bauelemente in dem Sicherheitskanal mit Mikrocomputertechnik für diesen Kanal eine große Fehlerwahrscheinlichkeit besteht. Selbstüberwachungseinrich tungen in diesem Sicherheitskanal können die Auswirkungen der Fehlerhäufigkeit vermindern. Eine Selbstüberwachung mit einem hohen Fehlererkennungsgrad nimmt jedoch eine Zeit in Anspruch, di je nach den Umständen, bis zu mehreren Sekunden dauern kann. Dies Überwachungszeit kann die Taktzeit bei taktmäßig arbeitenden Vor- richtungen und zyklischer Überwachung dieser Vorrichtung uner¬ wünscht verlängern und die Verfügbarkeit und Nutzung der Vorrich¬ tung herabsetzen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektronische Steuerung mit Sicherheitseinrichtungen für taktmäßig arbeitende Vorrichtungen zu schaffen, die die Taktzeit nicht oder nur un¬ wesentlich beeinflußt und ein hohes Maß an Sicherheit bewirkt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des ersten Anspruches gelöst.
Dadurch, daß die Sicherheitskanäle gleichzeitig gleichartige Steuerfunktionen haben und auf jeweils eigene Stellglieder wirken wird mit einfachen Mitteln und geringem Bauaufwand ein redundante diversitäres. System sowohl auf der Steuerseite als auch auf der Sicherheitsseite realisiert, so daß das gleichzeitige Auftreten von Fehlern in beiden Kanälen weitgehend vermieden ist. Die Selbs überwachungseinrichtung zum überwachen des gesamten zweiten Siche heitskanals mit Hilfe -eines Überwachungsprogramms läßt die Modifi zierung des Überwachungsprogramms zu, so daß kürzeste Überwachung zeiten bei einem hohen Fehlererkennungsgrad gewährleistet sind. Das Überwachungsprogramm kann dabei auf die sicherheitsrelevanten Teile des Sicherheitskanals zugeschnitten werden.
Negative Auswirkungen auf die Sicherheit der Vorrichtung sin nur dann zu erwarten, wenn trotz der unterschiedlichen Sicherheit kanäle in beiden Kanälen gleichzeitig ein Fehler entsteht, der nicht erkannt wird. Durch die zusätzliche Selbstüberwachung des ersten Sicherheitskanals wird die Wahrscheinlichkeit des Zusammen treffens zweier unerkannter Fehler in den beiden Sicherheits¬ kanälen weiter vermindert. Zu diesem Zweck wirken das Ausgangs¬ signal des Vergleichers und die Ausgangssignale der Selbstüber¬ wachungseinrichtungen auf eine, gemeinsame Sicherheitsstufe. Aufgrund des Zusammenwirkens der Selbstüberwachungseinrich¬ tung im ersten und zweiten Sicherheitskanal kann die Sicherheit des Gesamtsystems ausreichen, wenn das Überwachungsprogramm so ausgelegt ist, daß der Fehleraufdeckungsgrad 70 % bis 90 % be¬ trägt. Dabei wird unter Fehleraufdeσkungsgrad die Wahrscheinlich keit verstanden, mit der ein Fehler erkannt wird.
Die Merkmale der Ansprüche 3 und 4 zeigen Möglichkeiten zur Selbstüberwachung des ersten Sicherheitskan'als auf.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorge¬ schlagen, daß zwischen den Sicherheitskanälen und den Stellglie¬ dern Kontakte angeordnet sind, die durch ein einziges, von der Sicherheitsstufe gesteuertes Relais betätigt werden. Die vom Auf¬ wand her wünschenswerte Verwendung eines einzigen Relais ist unte Sicherheitsgesichtspunkten möglich, da das Relais zwangsgeführt u mit einem Testkontakt versehen ist.
Der Bauaufwand wird ebenfalls verringert, wenn die Stellglie der zu einem Pressensicherheitsventil vereinigt sind, das zwei Ventilwicklungen aufweist, von denen jeweils eine Wicklung von einem der Sicherheitskanäle angesteuert ist. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der Vergleicher durch eine Gleic richterbrückenschaltung gebildet, in deren gleichgerichtetem Brückenzweig das Relais und in deren anderem Brückenzweig die Stellglieder angeordnet sind. Dies ergibt eine baugünstige Ausfüh rung des Vergleichers, der gleichzeitig die Verbindungsleitungen zu den Stellgliedern und deren elektrischem Teil auf Kurzschluß und Unterbrechung überwacht.
Um den Störungsabstand zwischen dem Relais und den Stellglie dern möglichst groß zu halten ist es zweckmäßig, daß der ohmsche Widerstand der Stellglieder erheblich kleiner gewählt wird als de ohmsche Widerstand des Relais. H
Die elektronische Steuerung kann auch in Mehrfachanordnung verwendet werden. Bei nfacher Anordnung der Steuerung ist dabei zweckmäßigerweise eine Auswahlschaltung m aus n zu bilden, wobei m kleiner n ist.
Die Erfindung wird an Ausführungsbeispielen anhand von Zeich nungen erläutert, die den Gegenstand der Erfindung darstellen. Es zeigen
Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen elektronischen Steuerung für eine Vorrichtung mit mechanischen Bewegungsabläufen mit zwei im Aufbau unterschiedlichen Sicherheitskanälen,
Fig. 2 eine Ausführung der Steuerung gemäß Fig. 1 in eine Prinzipdarstellung für eine Exzenterpresse mit Handeinlegebetrieb und ein Zweihandpult zur Durch¬ führung einer Einzelhubsteuerung,
Fig. 3 das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 mit detaillie tem Aufbau der Sicherheits- und Steuerkanäle und mit Nockenschaltern zur OT-Abschaltung bzw. zur Selbsthaltuήg eines Ξinschaltkontakts,
Fig. 4 einen Stromlauf eines Ausführungsbeispieles eines Vergleichers der Ausgangssignale der Sicherheits¬ kanäle,
,Fig. 5 einen gegenüber Fig. 2 abgewandelten Stromlauf eines anderen Prinzips einer Selbstüberwaσhung des ersten Sicherheitskanals,
Fig. 6 einen Stromlauf einer Schaltung zur Selbstüber¬ wachung des ersten Sicherheitskanals, nach dem an¬ hand von Fig. 5 erläuterten Prinzip. Die erfindungsgemäße elektronische Steuerung (Fig. 1) ist f eine taktmäßig arbeitende Vorrichtung mit mechanischen Bewegungs abläufen, wie z. B. eine Exzenterpresse, eine Hydraulikpresse, eine Liftsteuerung, Werkzeugmaschinen, Spritzgußmaschinen, Hand¬ habungsgeräte oder ähnliche Vorrichtungen, verwendbar. Dabei sol die Vorrichtung vor jedem Arbeitstakt auf einen sicheren, störun freien Betrieb überwacht werden. Die Taktzeiten können sich perio disch in gleichen Abständen und mit gleicher Taktlänge oder aperiodisch in unterschiedlichen Abständen oder mit verschiedener Dauer wiederholen.
Einem Geber 1, der z. B. entweder handbedienbare Schalter, Zeitschalter oder Sensoren umfaßt, sind ein erster Sicherheits¬ kanal 2 mit fest verdrahteter Schaltungslogik und ein zweiter Sicherheitskanal 3 in Mikrocomputertechnik nachgeschaltet, die nebeneinander gleichartige Steuerfunktionen haben und damit ein redundantes Steuersystem bilden. Die Ausgänge der Siσherheits- kanäle 2 und 3 sind über Leitungen 4 bzw. 5 und Verstärker 7 bzw. 8 an einen Vergleicher 6 angeschlossen, in dem die Ausgangs¬ signale auf Gleichheit und Gleichzeitigkeit überwacht werden. Die Ausgänge der Verstärker 7 und 8 sind ferner über Leitungen 10 bzw. 11 und über zu einem Relais 13 gehörende Kontakte 13A bzw. 13B an Stellglieder 12A bzw. 12B angeschlossen, die beispielsweis im Falle einer Exzenterpresse Pressensicherheitsventile oder im Falle eines Lifts Schütze zum Betrieb des Liftmotors sein können.
Das Relais 13 ist Bestandteil einer Sicherheitsstufe 9, auf die die verstärkten Ausgangssignale der Sicherheitskanäle 2 und 3 sowie das Ausgangssignal des Vergleichers 6 wirken.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 bezieht sich auf eine elektronische Steuerung für eine Exzenterpresse mit Handeinlege¬ betrieb, .wobei der Pressenhub über ein Zweihandpult 15 ausgelöst wird. Dieses umfaßt Taster 16, 17, deren Kontakte lβA, 17A über Anschlüsse 18, 19, 20 am ersten Sicherheitskanal 2 und deren Kon¬ takte 16B, 17B über Anschlüsse 21, 22, 23 an dem zweiten Sicher- heitskanal 3 angeschlossen sind. Die Steuerung ist so ausgelegt, daß beide Taster 16, 17 innerhalb eines vorgegebenen Zeitraumes, z. B. von maximal 0,5 s, gedrückt werden müssen, um am Ausgang de Schaltung eine Betätigung des Pressensicherheitsventils 33 zu be¬ wirken. Wird der vorgenannte Zeitraum überschritten, so reagiert der Ausgang nicht.
Das Pressensicherheitsventil 33 besteht aus einem Magnetven¬ til mit zwei Ventilwicklungen 33A und 33B, die über Leitungen 27, 28 bzw. 29, 30 mit dem Verstärker 7 bzw. 8 verbunden sind. Dabei ist die Leitung 28 über einen Kontakt 13A, die Leitung 29 über einen Kontakt 13B geführt. Die Kontakte 13A, 13B sind zunächst ge schlossen und werden nur bei auftretender Störung gemeinsam von der Sicherheitsstufe 9 betätigt.
Der erste Sicherheitskanal 2 (Fig. 3) umfaßt im wesentlichen eine Steuereinheit 40 und einen ihr zugeordneten Oszillator 24, der zur Weiterschaltung der Steuereinheit 40 dient und ein Prüf¬ signal am Eingang des ersten Sicherheitskanals erzeugt, ferner ei Netzgerät 41 und einen Wandler 42, der aus dem Prüfsignal am Aus¬ gang des ersten Sicherheitskanals 2 und der VersorgungsSpannung aus dem Netzgerät 1 eine sowohl prüffrequenz- als auch versor- gungsspannungsproportionale Steuerspannung für eine Überwachungs¬ einheit 43 liefert. Diese löst bei Unterschreiten eines Schwell¬ wertes die Sicherheitsstufe 9 aus. Ein Mono-Flop 44, also ein monostabiler Multivibrator mit einer Schaltzeit von 0,5 s sorgt dafür, daß eine Betätigung der Taster 16, 17 nur auf den Ausgang wirkt, wenn sie innerhalb der Schaltzeit erfolgt. Zwei Flip- Flops 45, 46 wirken über ein ODER-Gatter 78 auf einen als Verstär ker 6 dienenden Transistor 47. Die genannten Bausteine sind durch UND- bzw. ODER-Gatter bzw. Inverter logisch mit den Steuereingän¬ gen verknüpft. Neben den Tastern 16 und 17 gehören zu den Steuereingängen zwei Nockenschalter 51, 52 (Fig. 3) , deren Nockenscheiben drehfe auf einer Welle 80 angebracht sind, deren Drehbewegung vom Hub d Presse abgeleitet ist. Sie dienen der Abschaltung im oberen Tot¬ punkt der Exzenterpresse. Der Nockenschalter 52' hält zusätzlich die Presse ab der Stelle E unabhängig von der Stellung der Taster 16 oder 17 im eingeschalteten Zustand. Ferner gehört zu d Steuereingängen ein Drehmomentschalter 53 für die Bremsüberwachu der ein Quittierungssignal dann liefert, wenn die Haupt- und die Zusatzbremse der Presse das erforderliche Bremsmoment tatsächlic aufbringt.
Die Kontakte der Taster 16, 17, der Nockenschalter 51, 52 u des Drehmomentschalters 53 sind über Schutzwiderstände 102 mit de Eingängen des ersten Sicherheitskanals 2 und des Peripherieadap¬ ters 54 des zweiten Sichex'heitskanals 3 verbunden. Dabei wirkt de Kontakt 17A über einen Inverter 73 sowohl auf ein UND-Gatter 75 als auch auf ein ODER-Gatter 74, während der Kontakt 16A auf das ODER-Gatter 74 und auf das UND-Gatter 75 wirkt. Das ODER-Gatter 7 wirkt über das Mono-Flop 44 ebenfalls auf das UND-Gatter 75. Am Ausgang des UND-Gatters 75 ist nur dann ein Signal vorhanden, wen die Taster 16 und 17 betätigt sind und die Betätigung innerhalb einer Zeitspanne von 0,5 s erfolgte. Das Ausgangssignal des UND- Gatters 75 erzeugt über ein Differenzierglied, bestehend aus eine Kondensator 103 und einem Widerstand 104, einen Set-Befehl im Fli Flop 45. Falls kein Ausgangssignal am ODER-Gatter 75 vorhanden is erfolgt über einen Inverter 76 und ein ODER-Gatter 77 ein Reset- Befehl am Flip-Flop 45.
Der Nockenschalter 51 wirkt über einen Inverter 70 und ein ODER-Gatter 79 auf den Reset-Eingang des Flip-Flop 46, so daß der Flip-Flop 46 bei geöffnetem Nockenschalter 51 in der Reset-Stel- lung sich befindet. Der Nockenschalter 52 wirkt über das ODER- Gatter 77 auf den Reset-Eingang des Flip-Flop 45, über ein Diffe¬ renzierglied, bestehend aus einem Kondensator 103 und einem- Widerstand 104, auf den Set-Eingang des Flip-Flop 46 und über einen Inverter 71 und das ODER-Gatter 79 auf den Reset-Eingang de Flip-Flop 46. Dadurch erhält der Flip-Flop 46 bei geöffnetem Nockenschalter 51 einen Reset-Befehl, während das Flip-Flop 45 be geöffnetem Nockenschalter 52 einen Reset-Befehl erhält. Bei ge¬ schlossenem Nockenschalter 52 erhält der Flip-Flop 45 einen Reset Befehl, während der Flip-Flop 46 über das Differenzierglied 103, 104 einen Set-Befehl bekommt. Die Flip-Flops 45 und 46 sind über das ODER-Gatter 78 mit dem Wandler 42 und mit dem Transistor 47 verbunden.
Der Npckenschalter 52 wirkt ferner über ein NOR-Glied 68 und ein UND-Gatter 69 auf die Sicherheitsstufe 9. Der zweite Eingang des UND-Gatters 69 ist mit dem Drehmomentschalter 53 verbunden.
Dadurch spricht die Sicherheitsstufe 9 an, wenn der Nockenschal¬ ter 52 geöffnet ist und gleichzeitig der Drehmomentschalter 53 schließt..
Der zweite Sicherheitskanal 3 umfaßt im wesentlichen einen Peripherieadapter 54, Programmspeicher (PROM) 34, 58, eine Kon¬ trollschaltung 59, einen Mikroprozessor 61 und einen Arbeits¬ speicher (RAM) -60, die alle untereinander über Steuerleitungen 55 einen Adreßbus 56 und einen Datenbus 57 verbunden sind. Ferner ge hören noch eine Startschaltung 62 sowie ein Adressendecoder 14 da zu. Die Eingänge des Peripherieadapters 54 sind mit den Kontakten der Taster 16, 17, der Nockenschalter 51, 52 und des Drehmoment¬ schalters 53 verbunden, während die Ausgänge unmittelbar auf die Sicherheitsstufe 9 bzw. über den Transistor 48, der als Verstär¬ ker 8 dient, wirken. Zwischen dem Ausgang des Sicherheitskanals 2 und des Sicherheitskanals 3 ist ein Vergleicher 6 angeordnet, der die Signale auf Gleichheit und Gleichzeitigkeit überprüft und das Ergebnis der Sicherheitsstufe 9 übermittelt.
Die Transistoren 47 und 48 schalten den Stromkreis für die Wicklungen 33A und 33B des Pressensicherheitsventils 33, der über die Kontakte 13A und 13B das Relais 13 geführt ist. Diese Kontakt werden geöffnet, sobald das Relais 13 infolge einer Fehler eldunq 3
der Sicherheitsstufe 9 abfällt. Eine solche Fehlermeldung kann a dem Signalvergleich des Vergleichers 6 oder aus Signalen der Übe wachungseinrichtungen der beiden Sicherheitskanäle resultieren.
Die Selbstüberwachung des ersten Sicherheitskanals 2 erfolg in den Taktpausen zwischen den einzelnen Hubbewegungen. Hierzu werden vom Oszillator über Differenzierglieder 100, 101 kurze Nadelimpulse definierter Frequenz durch eine Steuereinheit 40 nacheinander auf die Signaleingänge des ersten Sicherheitskanals gegeben. Sofern der Sicherheitskanal 2 funktionsfähig ist, wirkt an seinem Ausgang eine definierte Impulsfrequenz auf den Wand¬ ler 42. Durch Verwendung von Nadelimpulsen und entsprechende Schaltungsauslegung gewährleistet man, daß die Testfrequenz kein Steuerfunktion auslöst. Bei fehlender oder abweichender Frequenz hingegen reagiert die Sicherheitsstufe und verhindert ein weiter Arbeiten der Presse.
Die Überwachung des zweiten Sicherheitskanals 3 geschieht mittels eines Sicherheitsprogramms, das in einem Programmspei¬ cher 34 oder 58 abgelegt ist. Der Mikroprozessor 61 befindet sic entweder im Sicherheitszyklus oder er bewältigt nicht sicherheits relevante Zusatzaufgaben, nach deren Erledigung er unmittelbar wieder in den Sicherheitszyklus zurückkehrt. Dabei ist das Über¬ wachungsprogramm aktiv. Die Summe der sich aus den Programmen der Programmspeicher 34 bzw. 58 ergebenden Werte und weiterer charak¬ teristischer Werte wird fortlaufend gebildet und mit einer Soll- wertkontrollzahl verglichen, die z. B. durch galvanische Brücken dargestellt ist. Bei fehlerhaftem Ergebnis oder Ausbleiben der Ergebnismeldung wird die Sicherheitsstufe 9 ausgelöst.
Bei einer Signalgabe aus der Steuerung an den Peripherieadap ter 54 wird der Rechner sofort durch einen Interrupt-Befehl an de Mikroprozessor 61 für die Steuerung zur Verfügung gestellt. Er verarbeitet die Steuerbefehle entsprechend seinem Steuerprogramm, bis von dem Nockenschalter 51 und dem Drehmomentschalter 53 das
Hubende signalisiert und das Überwachungsprogramm reaktiviert wer den. Kehrt der Rechner nicht in den Sicherheitszyklus zurück, wir ebenfalls die Sicherheitsstufe 9 ausgelöst, die Vorrichtung fällt in den sicheren Zustand zurück.
In den Ventilwicklungen 33A, 33B können Fehler auftreten, di nicht leicht bzw. nicht sicher erfaßt werden können. Dies trifft z. B. für Kurzschlüsse in den Ventilwicklungen zu, weil diese ohnehin sehr niederohmig sind. In einem solchen Stδrungsanfall unterbrechen in' den Ansteuerkreisen vorgesehene Sicherungen 49, 50 (Fig. 3) dann, wenn eine Ansteuerung erfolgt. Danach wird die Sicherheitsstufe 9 ausgelöst, die die verschiedenen Stδrmeldungen verknüpft und bei ihrer Aktivierung ein Abfallen des Relais 13 be wirkt.
Der sicherheitsrelevante Teil der Sicherheitsstufe 9 ist in FaiIsafe-Technik ausgeführt. Das Relais 13 hat zwangsgeführte Kon. takte, wodurch es sicher überwacht werden kann. Sicherheitsstufe und Relais 13 werden zyklisch überwacht, indem nach jeder Hubab¬ schaltung ein Funktionstest eingeleitet wird, wobei auch eine RelaisabSchaltung erfolgt. Eine automatische Wiedereinschaltung erfolgt bei diesem Test nur dann, wenn die Sicherheitsstufe 9 nicht gestört ist, der DrehmomentSchalter 53 ein ausreichendes Bremsmoment registriert, keine Störmeldungen aus einem der beiden Sicherheitskanäle 2, 3 bzw. der Verstärker 7, 8 vorliegt und das Relais 13 durch einen Kontakt 13C, der als Testkontakt wirkt, ein sicheres Abfallen des Relais 13 bestätigt hat. Nach einer störung bedingten Abschaltung wird eine automatische Wiedereinschaltung selbst dann sicher verhindert, wenn die Störung nicht mehr besteh
Ein Ausführungsbeispiel einer Ausgangsstufenüberwachung,"' als einer Überwachung der Transistoren 47, 48 (Fig. 4) , umfaßt neben dem Pressensicherheitsventil 33 eine Brückenschaltung aus Dio¬ den 64, 65, 66, 67 und die im gleichgerichteten Zweig der Brücken schaltung liegende Wicklung des Relais 13. Die zu letzterem ge¬ hörenden Kontakte 13A und 13B sind zwischen dem einen Anschluß de einen Ventilwicklung 33A und dem Kollektor des Transistors 47 14
einerseits und zwischen dem einen Anschluß der Ventilwicklung 33 im Pressensicherheitventil 33 und dem Emitter des Transistors 48 andererseits angeordnet.
Die Stromversorgung erfolgt über Anschlüsse 105, 106, wobei am Anschluß 106 Null-Potential anliegt. Im Ruhezustand fließt der Strom über den Kontakt 13A, die Wicklung 33A, die Diode 67, das Relais 13, die Diode 64, die Wicklung 33B und den Kontakt 13B. Da das Relais 13 und die Wicklungen 33A, 33B in Reihe liegen, können sie so aufeinander abgestimmt werden, daß nur das Relais 13 an¬ spricht.' Werden die Transistoren 47 und 48 über Leitungen 107, 10 angesteuert, sind das Relais 13 und die Wicklungen 33A, 33B paral lel geschaltet, so -daß nun der Spannungsabfall an den Windun¬ gen 33A, 33B ausreicht, daß das Pressensicherheitsventil 33 an¬ spricht. Bei einem Defekt an den Transistoren 47, 48 oder einem Kurzschluß oder Leitungsbruσh in den Wicklungen 33A, 33B bzw. den zugehörigen Leitungen fällt das Relais 13 ab und die Kontakte 13A 13B öffnen. Damit sind diese" Bauelemente ebenfalls in die Über¬ wachung einbezogen.
Eine andere Ausführung zur Überwachung des ersten Sicherheit kanals 2 (Fig. 5) umfaßt eine Vergleicherschaltung 81, die über Leitungen 85 mit allen Gatterein- und -ausgängen (Fig. 6) verbun¬ den ist, wobei einige Gattereingänge mit anderen Gatterausgängen identisch sein können. Die elektrischen Werte an den Gatterein- und -ausgängen werden über Leitungen 84. (Fig. 5) mit einem Bit¬ muster in einer Bitmustereinheit 82 verglichen. Das Bitmuster ent spricht dem Ruhezustand der Gatterein- und -ausgänge. Hierdurch sind alle Fehler erkennbar, die an einem beliebigen Gatter im Sicherheitskanal 2 meßbar sind. Die Vergleichsschaltung 81 weist einen Ausgang auf, an dem eine Leitung 83 angeschlossen ist. Das am Ausgang erscheinende Potential wechselt zyklisch, z. B-. in An¬ wendung auf eine Presse würde am Ausgang während einer Hubphase eine elektrische Spannung von +5 V erscheinen, während der Durch¬ führung eines Hubs eine solche von 0 V. Die Leitung 83 führt zu der Sicherheitsstufe 9, die zyklische Potentialänderungen am Aus^_ gang des Vergleichers 6 überwacht. 1
Die Leitungen 85 (Fig. 5) sind als Leitungen 87 bis 98 in Fig. 6 einzeln ausgeführt. Aus dieser Schaltung ist auch ersicht¬ lich, an welchen Stellen ein H-Potential (High-Potential) und gleichzeitig ein L-Potential (Low-Potential) erscheint oder umge¬ kehrt. Die aus Fig. 6 ersichtlichen Potentialangaben beziehen sic auf den Schaltungsruhezustand, der z. B. der Hubpause der Presse entspricht.
Die Bitmustereinheit 82 (Fig. 5) wird durch galvanische Brücken 99, z. B. Lötbrücken oder Leiterbahnen, gebildet.

Claims

A n s p r ü c h e
1. Elektronische Steuerung mit Sicherheitseinrichtungen für eine Vorrichtung mit mechanischen Bewegungsabläufen mit zwei unte schiedlich aufgebauten Sicherheitskanälen, von denen der erste Sicherheitskanal mit fest verdrahteter Sehaltungslogik und der zweite Sicherheitskanal in Mikrocomputertechnik ausgeführt ist un mit einer gemeinsamen Sicherheitsstufe, die bei Auftreten unter¬ schiedlicher Ausgangssignale der beiden Sicherheitskanäle die Vor richtung in einen sicheren Zustand versetzt sowie mit einer Selbs überwachungseinrichtung für den zweiten Sicherheitskanal, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß bei taktmäßig arbeitenden Vor rie ungen a) die Sicherheitskanäle (2, 3) gleichzeitig gleichartige Steuerfunktionen haben und auf jeweils eigene Stellglie¬ der (12A, 12B) wirken, b) die Selbstüberwachungseinrichtung die Überwachung des gesam¬ ten zweiten Sicherheitskanals (3) mit Hilfe eines Über¬ wachungsprogramms über einen Mikrocomputer (61, 60, 34) und eine KontrollSchaltung (59) bewirkt, c) auch der erste Sicherheitskanal (2) eine eigene Selbstüber¬ wachungseinrichtung (42, 43, 81, 82, 86, 99) aufweist, d) die Selbstüberwachungen zyklisch innerhalb der Taktzeiten er folgen, e) Verstärker (7, 8) an die Ausgänge der Sicherheitskanäle (2, 3 angeschlossen sind, deren Ausgangssignale durch einen Ver¬ gleicher (6) auf Gleichheit und Gleichzeitigkeit überwacht werden, f) das Ausgangssignal des Vergleichers (6) und die Ausgangssig- nale der Selbstüberwachungseinrichtungen auf eine gemeinsame Sicherheitsstufe (9) wirken. Λ
2. Elektronische Steuerung nach Anspruch 1, dadurch g e - ke n n z e i c h n e t , daß das Überwachungsprogramm so ausge legt ist, daß der Fehleraufdeckungsgrad 70 % bis 90 % beträgt.
3. Elektronische Steuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Prüfsignal am Eingang des ersten Sicherheitskanals (2) mit dem Signal am Ausgan verglichen wird.
4. Elektronische Steuerung nach einem der vorangehenden. An¬ sprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Selbst überwachung des ersten Sicherheitskanals (2) dadurch erfolgt, daß Ein- bzw. Ausgangspotentiale seiner Bauelemente mit Bezugspoten¬ tialen verglichen werden.
5. Elektronische Steuerung nach einem der vorangehenden An¬ sprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß zwischen den Sicherheitskanälen (2, 3) und den Stellgliedern (12A, 12B) Kontakte (13A, 13B) angeordnet sind, die durch ein einziges von der Sicherheitsstufe (9) gesteuertes Relais (13) betätigt werden, die Kontakte (13A, 13B) des Relais (13) zur gleichzeitigen Betäti gung zwangsgeführt sind und daß ein weiterer Kontakt (13C) des Relais (13) als Testkontakt vorgesehen ist.
6. Elektronische Steuerung nach einem der vorangehenden An¬ sprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Stell¬ glieder (12A, 12B) zu einem Pressensicherheitsventil (33) ver¬ einigt sind, das zwei Ventilwicklungen (33A, 33B) aufweist, von denen jeweils eine Wicklung einem der Sicherheitskanäle (2, 3) zu geordnet ist.
7. Elektronische Steuerung nach einem der vorangehenden An¬ sprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Ver¬ gleicher (6) durch eine Gleichrichterbrückenschaltung (64 - 67) gebildet .wird, in deren gleichgerichtetem Brückenzweig das Relais (13) und in deren anderem Brückenzweig die Stellglie¬ der (33A, 33B) angeordnet sind. 1*
8. Elektronische Steuerung nach Anspruch 7, dadurch g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß der ohmsche Widerstand der Stell¬ glieder (12A, 12B; 33A, 33B) erheblich kleiner ist als der ohmsch Widerstand des Relais (13) .
9. Elektronische Steuerung nach einem der vorangehenden An¬ sprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß bei nfache Anordnung der Steuerung eine Auswahlschaltung m aus n gebildet wird, wobei m kleiner n ist.
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